第 7章 PLC控制系统应用设计本章要求
– 本章介绍 FX2系列 PLC控制系统的应用设计,
PLC的应用就是在电气控制系统中以 PLC为主控,实现对生产过程的控制 。 要求掌握 PLC应用的设计步骤,PLC的选型和硬件配置,以及
PLC的安装和维护 。 掌握 PLC的应用程序设计是 PLC应用中的关键,也是整个电气控制系统设计的核心 。 本章将以 PLC控制系统的经典实例,来介绍 PLC控制系统的应用设计 。
7.1 PLC控制系统的总体设计
PLC控制系统的设计与微机控制系统的设计还是有区别的，这是由于 PLC特有的扫描工作方式和相应的硬件结构与通用微机不完全一样。同时,PLC与继电器控制系统也有本质上的区别，因此需要结合 PLC本身的一些特点来进行控制系统的设计。 PLC控制系统设计的一个主要特点是，硬件和软件可以分开进行设计。
7.1.1 PLC控制系统设计的基本原则在设计 PLC控制系统时，应按照以下基本原则进行。
1．熟悉控制对象，确定控制范围设计前，要深入现场进行实地考察，全面详细地了解被控制对象的特点和生产工艺过程。同时要搜集各种资料，归纳出工作状态流程图，并与有关的机械设计人员和实际操作人员相互交流和探讨，明确控制任务和设计要求。要了解工艺工程和机械运动与电气执行组件之间的关系和对控制系统的控制要求，共同拟定出电气控制方案，最后归纳出电气执行组件的动作节拍表。这个也是 PLC要正确实现的根本任务。
2．优化控制系统，确定 PLC机型在确定了控制对象和控制范围之后，需要制定相应的控制方案。在满足控制要求的前提下，力争使得设计出来的控制系统简单、可靠、经济以及使用和维修方便。控制方案的制定可以根据生产工艺和机械运动的控制要求，确定电气控制系统的工作方式。单机控制就可以满足要求，还是需要多机联网通信的方式。最
7.1.1 PLC控制系统设计的基本原则 2
7.1.1 PLC控制系统设计的基本原则 3
后，综合考虑所有的要求，确定所要选用的 PLC机型，
以及其它的各种硬件设备。
3．提高可靠性和安全性在考虑完所有的控制细节和应用要求之后，还必须要特别注意控制系统的安全性和可靠性。大多数工业控制现场，充满了各种各样的干扰和潜在的突发状态。
因此，在设计的最初阶段就要考虑到这方面的各种因素，到现场去观察和搜集数据。
4．可升级性要求在设计 PLC控制系统的时候，应考虑到日后生产的发展和工艺的改进，而适当地留有一些余量，方便日后的升级。
7.1.2 PLC控制系统的设计流程 1
PLC控制系统的设计流程图如图 7.1，具体步骤：
（ 1）分析被控对象，明确控制要求。
根据生产和工艺过程分析控制要求，确定控制对象及控制范围，确定控制系统的工作方式，例如全自动、半自动、手动、单机运行、多机联合运行等。
还要确定系统应有的其它功能，例如故障检测、诊断与显示报警、紧急情况
7.1.2 PLC控制系统的设计流程 2
的处理、管理功能、联网通信功能等。
（ 2）确定所需要的 PLC机型，以及用户输入 /输出设备
，据此确定 PLC的 I/O点数。根据系统的控制要求，确定系统的输入 /输出设备的数量及种类，如按钮、开关
、接触器、电磁阀和信号灯等；明确这些设备对控制信号的要求，如电压流的大小、直流还是交流、开关量还是模拟量和信号幅度等。据此确定 PLC的 I/O设备的类型、性质及数量。
（ 3）分配 PLC的输入 /输出点地址，设计 I/O连接图。
根据已确定的输入 /输出设备和选定的可编程控制器，
列出输入输出设备与 PLC的 I/O点的地址分配表，以便于编制控制程序、设计接线图及硬件安装。
7.1.2 PLC控制系统的设计流程 3
（ 4）可同时进行 PLC的硬件设计和软件设计。
硬件设计指电气线路设计，包括主电路及 PLC外部控制电路,PLC输入输出接线图，设备供电系统图，电气控制柜结构及电器设备安装图等。软件设计包括状态表
、状态转换图、梯形图、指令表等，控制程序设计是
PLC系统应用中最关键的问题，也是整个控制系统设计的核心。
（ 5）进行总装统调。
一般先要进行模拟调试，即不带输出设备根据输入 /输出模块的指示灯显示进行调试。发现问题及时修改，
直到完全满足符合设计要求。此后就可联机调试，先连接电气柜而不带负载，各输出设备调试正常后，再接上负载运行调试，直到完全满足设计要求为止。
7.1.2 PLC控制系统的设计流程 4
（ 6）修改或调整软硬件设计，使之符合设计的要求。
（ 7）完成 PLC控制系统的设计，投入实际使用。
总装统调后，还要经过一段时间的试运行，以检验系统的可靠性。
（ 8）技术文件整理。
技术文件包括设计说明书、电气原理图和安装图、器件明细表、状态表、梯形图及软件使用说明书等。
7.2 PLC控制系统的设计步骤
7.2.1 确定控制对象和控制范围由图 7.1中，控制系统设计的第一步就是要先确定控制对象和控制范围。因为这样，才知道 PLC控制系统所应该具有的功能，从而去选择一款适合的 PLC机型。
2
7.2 PLC控制系统的设计步骤 2
首先，要详细分析被控对象、控制过程和要求，熟悉了工艺流程和列出了所有的功能和指标要求后，与继电器控制系统和工业控制系统进行比较，加以选择。
如果对于可靠性和安全性的要去比较高，同时控制对象所处的环境又比较差，特别是系统工艺复杂多变，
输入 /输出又以开关量居多，那么比较适合用 PLC进行控制，而用常规的继电器控制系统往往难以胜任。确定了控制对象之后，应进一步确定 PLC的控制范围。
对于那种机械重复式的操作，或者容易出错的操作，
以及要求比较精确的操作，应该交给 PLC来控制。而那些紧急状况的处理，和对智能判断要求比较高的操作，可以留有人工的手动操作方式的接口。
2
7.2.2 PLC机型的选择 1
机型选择基本原则：在功能满足的前提下，力争最好的性价比，并有一定的可升级性。
首先，按实际控制要求要进行功能选择：单机控制还是要联网通信；一般开关量控制，还是要增加特殊单元；是否需要远程控制；现场对控制器响应速度有何要求；控制系统与现场是分开还是在一起等。
然后，根据控制对象的多少选择适当的 I/O点数和信道数；根据 I/O信号选择 I/O模块，选择适当的程序存储量
。在具体选择 PLC的型号可考虑以下几个方面：
1,功能的选择对于以开关量为主,带少量模拟量控制的设备,一般的小型 PLC都可以满足要求 。 对于模拟量控制的系统
，
7.2.2 PLC机型的选择 2
具有很多闭环控制的系统，可视控制规模的大小和复杂程度，选用中档或高档机。
对于需要联网通信的控制系统，要注意机型统一。以便其模块可相互换用，便于备件采购和管理。功能和编程方法的统一，有利于产品的开发和升级，有利于技术水平的提高和积累。
对有特殊控制要求系统，可选用有相同或相似功能的
PLC。选用有特殊功能的 PLC，而不必添加特殊功能模块。配了上位机后，可方便地控制各独立的 PLC，连成一个多级分布的控制系统，相互通信，集中管理。
2．基本单元的选择包括：响应速度、结构形式和扩展能力。
7.2.2 PLC机型的选择 3
对于开关量控制为主的系统，一般 PLC的响应速度足以满足控制的需要。但是对于模拟量控制的系统，则必须考虑 PLC的响应速度。
在小型 PLC中，整体式比模块式的价格便宜，体积也较小，只是硬件配置不如模块式的灵活。在排除故障所需的时间上，模块式相对来说比较短。
应该多加关注能扩展单元的数量、种类以及扩展所占用的信道数和扩展口等。
3．编程方式
PLC的编程：在线编程和离线编程。
在线编程 PLC：有两个独立的 CPU，分别在主机和编程器上。主机 CPU主要完成控制现场的任务，编程器 CPU
7.2.2 PLC机型的选择 4
处理键盘编程命令。在扫描周期末尾，两 CPU会互相通信，编程器里的 CPU会把改好的程序传送给主机，主机将在下一扫描周期的时候，按照新的程序进行控制，完成在线编程的操作。可在线编程的 PLC由于增加了软硬件，因此价格较高，但应用范围比较宽广。
离线编程 PLC：主机和编程器共享一个 CPU。在同一时刻,CPU要么处于编程状态，要么处于运行状态，可通过编程器上的“运行 /编程”开关进行选择。减少了软硬件开销，因此价格比较便宜，中、小型的 PLC多采用离线编程的方式。
7.2.3 内存容量估计内存的容量会受到内存利用率，开关量 I/O点数，模拟量 I/O点数，以及用户的编程水平。
7.2.3 内存容量估计 2
1．内存利用率内存的利用率,一个程序段中的接点数与存放该程序段所代表的机器码所需内存字数的比值。对于同一个程序而言，高利用率可以降低内存的使用量，还可以缩短扫描时间，提高系统的响应速度。
2．开关量输入和输出的点数
PLC输入和输出的总点数对所需内存容量的大小影响较大。一般系统中，开关量输入和输出的比为 6:4，根据经验公式，可以算出所需内存的字数：
所需内存字数 = 开关量（输入 +输出）总点数? 10
3．模拟量输入和输出的点数模拟量的处理要用到数字传送和运算的功能指令，内存
7.2.3 内存容量估计 3
利用率较低，要更多的内存。模拟量输入，一般要经过读入、数字滤波、传送和比较等，模拟量输出，可能还要比较复杂的运算和闭环控制，将上述步骤编制成子程序进行调用，可大大减少所需内存的容量。针对 10点左右的模拟量的经验公式：
只有模拟量输入时：内存字数 = 模拟量点数? 100
模拟量输入 /输出共存时：内存字数 = 模拟量点数? 200
当点数小于 10时，要适当加大内存，反之可适当减小
。
4．程序编程质量质量高的程序往往短小精干，占内存少。对于初学者在考虑内存容量时，可多留一点余量。
7.2.4 输入输出模块的选择 1
1,PLC控制系统 I/O点数估算表 7.1是典型传送设备及电气组件所需 I/O点数表。
（ 1）控制电磁阀所需的 I/O点数
PLC控制一个单线圈电磁阀需要 2个输入和 1个输出；控制一个双线圈电磁阀需要 3个输入和 2个输出；控制一个比例式电磁阀需要 3个输入和 5个输出。另外，控制一个开关需 1个输入，一个信号灯需 1个输出，而波段开关有几个波段据需要几个输入。一般情况下，各种位置开关都需要 2个输入。
（ 2）控制交流电动机所需的 I/O点数
PLC控制交流电动机时，是以主令信号和反馈信号作为
PLC的输入信号。例如，用 PLC控制一台可逆运行的笼
7.2.4 输入输出模块的选择 2
7.2.4 输入输出模块的选择 3
型电动机，需要 5个输入点和 2个输出点。控制一台 Y—
起动的交流电动机，需要 4个输入点和 3个输出点。
（ 3）控制直流电动机所需的 I/O点数直流调速的主要形式是晶闸管直流电动机调速系统，主要采用晶闸管整流装置对直流电机供电。一般来说，用
PLC控制一个可逆直流传动系统大约需要 12个输入点和
8个输出点。一个不可逆的直流传动系统需要 9个输入点和 6个输出点。
估算出被控对象的 I/O点数后，应留有 20%～ 30%的 I/O
备用量，就可选择相应的 PLC。对于单机自动化或机电一体化的产品，可以选用小型 PLC；对于控制系统规模较大，输入输出点数又多的，可选用大、中型 PLC。
7.2.4 输入输出模块的选择 4
2．输入和输出模块的选择输入模块的功能主要是检测来自现场设备的输入信号,
并将其转换成 PLC内部可处理的电平信号 。 输入模块的类型有直流和交流两种,直流中又分为 5V,12V,24V
,60V和 68V；交流又分为 115V和 220V两种 。 对于传输距离比较近的,可以选用低电平,如 5V,12V和 24V
。 对于传输距离比较远的,从可靠性角度考虑,宜选用高电压的模块 。 从所接负载多少的方面而言,同时接通的点数不得超过 60%。 另外,为了提高系统的稳定性,
还必须考虑阈值电平 （ 接通电平与断开电平的差值 ） 的大小 。 阈值电平越大,有利于远距离的传输,其抗干扰能力也就越强 。
7.2.4 输入输出模块的选择 5
输出模块功能：将内部的输出电平转换成可匹配外部负载设备的控制信号 。
注意：输出模块同时接通点数的电流累计值必须小于公共端所允许通过的电流值 。 输出模块的输出电流大小要大于负载电流的额定值 。
7.2.5 PLC的硬件设计 1
硬件设计：要完成系统流程图的设计,详细说明各个输入信息流之间的关系,具体安排输入和输出的配置,以及对输入和输出进行地址分配 。
在对输入进行地址分配的时,可将所有的按钮和限位开关分别集中配置,相同类型的输入点尽量分在一个组 。
对每一种类型的设备号,按顺序定义输入点的地址 。 如果有多余的输入点,可将每一个输入模块的输入点都分配给一台设备 。 将那些高噪声的输入模块尽量插到远离
CPU模块的插槽内,以避免交叉干扰,因此这类输入点的地址较大 。
在进行输出配置和地址分配时,也要尽量将同类型设备的输出点集中在一起 。 按照不同类型的设备,顺序地定
7.2.5 PLC的硬件设计 2
义输出点地址。如果有多余的输出点，可将每一个输出模块的输出点都分配给一台设备。另外，对彼此有关联的输出器件，如电动机的正转和反转等，其输出地址应连续分配。
在进行上述工作的时,也要结合软件设计以及系统调试等方面的考虑 。 合理地安排配置与地址分配的工作,会给日后的软硬件设计,以及系统调试等带来很多方便 。
7.2.6 PLC的软件设计软件设计：完成参数表的定义,程序框图的绘制,程序的编制和程序说明书的编写 。
参数表为编写程序作准备,对系统各个接口参数进行规范化的定义,不仅有利于程序的编写,也有利于程序的
7.2.6 PLC的软件设计 2
调试。参数表的定义包括输入信号表、输出信号表、中间标志表和存储表的定义。参数表的定义和格式因人而异，但总的原则是便于使用。
程序框图描述了系统控制流程走向和系统功能的说明。
它应该是全部应用程序中各功能单元的结构形式，据此可以了解所有控制功能在整个程序中的位置。一个详细合理的程序框图有利于程序的编写和调试。
软件设计的主要过程是编写用户程序，它是控制功能的具体实现过程。
程序说明书是对整个程序内容的注释性的综合说明。应包括程序设计依据，程序基本结构，各功能单元详细分析，所用公式原理，各参数来源以及程序测试情况等。
7.2.6 PLC的软件设计 3
在进行系统设计时，可同时进行硬件和软件的设计。这样有利于及时发现相互之间配合上面的一些问题，及早地改进有关设计，更好的共享资源，提高效率。
7.2.7 总装统调任何控制系统的软硬件设计在定型前，都需要多次调试
，以此来发现和改进其中的错误和不足。对于 PLC控制系统来说，可以用装在 PLC上的模拟开关来模拟输入信号的状态，用输出点的指示灯来模拟被控对象，将设计好的软件程序传送到 PLC中，就可以进行总装统调了。
调试前，先要仔细检查 PLC外部设备的接线是否正确和可靠，特别还要检查各个设备的工作电压是否正常，检查的时候要注意，不要光检查电源的输出电压，而是要
7.2.7 总装统调 2
直接检查各个设备管脚上的工作电压是否正常。同时，
在将用户程序送到 PLC之前，可以先用一些短小的测试程序检测一下外部的接线状况，看看有无接线故障。进行这类预调时，要将主电路先行断开，这主要是为了安全和可靠，避免误操作或电路故障损坏了主电路的元器件。当一切确认无误之后，就可以将程序送入存储器中进行总调试，直到各部分的功能都能正常工作，并且能协调一致成为一个正确的整体控制为止。如果在统调过程中，发现什么问题或是达不到某些指标，则要对硬件和软件的设计做出调整。全被调试结束后，可以将程序长久保存在有记忆功能的 EPROM或 E2PROM中。至此
，就可以将调试好的 PLC控制系统投入实际的运行中。
7.3 PLC控制系统的应用举例 1
7.3.1 三菱 FX2系列 PLC在电梯自动控制中的应用由三菱 FX2-64MR为主控的 3层电梯的 PLC控制系统 。
1,电梯控制的功能要求
（ 1） 本系统采用轿厢外唤叫,轿厢内按钮控制形式 。
轿厢内,外均由指令按钮进行操作 。 每层楼的厢外设有呼叫按钮 SB6～ SB9,厢内设有开门按钮 SBl,关门按钮
SB2,层面指令按钮 SB3～ SB5。
（ 2） 电梯运行到指定位后,具有自动开 /关门的功能,
也能手动开门和关门 。
（ 3） 利用指示灯显示电梯厢外的呼叫信号,电梯厢内的指令信号和电梯到达信号 。
（ 4） 能自动判电梯运行方向,并发出相应指示信号 。
2
7.3 PLC控制系统的应用举例 2
（ 5） 电梯上下运行由一台主电机驱动 。 电机正转,电梯上升；电动反转,电梯下降 。
（ 6） 电梯轿厢门由另一台小功率电机驱动 。 电机正转
,厢门打开；电机反转,厢门关闭 。
2,PLC选型及输入,输出地址分配三层电梯有 23个输入信号,19个输出信号,可以选择
FX2— 48MR。 但考虑今后厂家升级的余量,就选了
FX2-64MR（ I/O为 32/32） 的 PLC。
输入信号及地址分配参见表 7.2，
输出信号及地址分配参见表 7.3。
3,梯形图程序设计根据三层电梯控制的功能要求以及输入 /输出点的地址
7.3 PLC控制系统的应用举例 3
7.3 PLC控制系统的应用举例 4
2
7.3 PLC控制系统的应用举例 5
分配表,设计控制梯形图 。 程序分成以下几段讨论 。
电梯开门,关门梯形图如图 7.2所示 。
（ 1） 电梯开门控制分手动和自动两种情况 。
① 手动开门时,当电梯运行到位后,按下 SB1,X000
7.3 PLC控制系统的应用举例 6
闭合,Y000得电,电动机正转,轿厢门打开 。 开门到位,开门行程开关 SQ1动作,X002常闭触点断开,
Y000失电,开门过程结束 。
② 自动开门时,当电梯运行到位后,相应的楼层接近开关 SQ5或 SQ6或 SQ7被压下,即 X011或 X012或 X013
闭合 。 T0开始计时,延时 3s后,T0触点闭合,Y000输出有效,轿厢门打开 。
（ 2） 电梯关门控制也分手动和自动两种情况 。
① 手动关门时,当按下关门按钮 SB2时 X001闭合,
Y001得电并自锁,驱动关门继电器使电动机反转,轿厢门关闭 。 关门到位,关门行程开关 SQ2动作,X003
常闭触点断开,Y001失电,关门过程结束 。
7.3 PLC控制系统的应用举例 7
② 自动关门时,由定时器 T1来控制 。 当电梯开门到位后 Y000常开触点闭合,T1开始计时,延时 5s后,T1触点闭合,Y001输出有效,轿厢门自动关闭 。
自动关门时,可能夹住乘客,因此在门两侧均装有红外线检测装置 SLl和 SL2。 当有人进出时由 SLl和 SL2发出信号使得 X006和 X007闭合,辅助继电器 M0得电并自锁,使得 T2开始定时,延时 2s后再关门 。
（ 2） 电梯到层指示如图 7.3,X011,X012和 X013分别是一,二和三层的接近开关 SQ5,SQ6和 SQ7的输入点,Y022,Y023和
Y024分别是一,二和三层楼面的指示灯 E3,E4和 E5。
辅助继电器 M2和 M3分别是单,双层指示灯互锁控制 。
7.3 PLC控制系统的应用举例 8
当电梯到达某一层楼面后
,只有该层楼指示灯亮 。
（ 3） 层呼叫指示灯控制图 7.4,当有乘客在轿厢外的某一层按下呼叫按钮
SB6,SB7,SB8和 SB9中的任一个后,对应的输入点 X017,X020,X021和
X022中的某一个就会闭合
,同时所对应的层指示灯就亮,指示有人呼叫 。 呼叫信号会一直保持到电梯
7.3 PLC控制系统的应用举例 9
当 到达该层,由该层的接近开关 X011,X012和 X013中的某一个动作时才被撤销 。
7.3 PLC控制系统的应用举例 10
7.3 PLC控制系统的应用举例 11
（ 4） 电梯启动和方向选择及变速控制电梯启动和方向选择及变速控制梯形图如图 7.5所示 。
电梯运行方向由输出继电器 Y020和 Y021指示,当电梯运行方向确定后,在关门信号和门锁信号符合要求的情况下,或者通过电梯上行输出继电器 Y002,驱动电机正转,电梯上升；或者通过电梯下行输出继电器
Y003,驱动电机反转,电梯下降 。
电梯启动后快速运行,2s后加速,在接近目标楼层时,
相应的接近开关动作,电梯开始转为慢速运行,直至电梯到达目标楼层时停止 。
7.3 PLC控制系统的应用举例 12
7.3.2 三菱 FX2系列 PLC对 T68A卧式镗床的控制镗床是一种精密加工机床,可以加工许多种复杂的大型工件 。 镗床的运动部件比较多,在加工工件时镗床各部分的运动也相对复杂,下溜板沿床身导轨可作纵向移动,上溜板则可沿下溜板上的导轨作横向移动,而工作台又可以相对于上溜板进行回转 。 还有,镗头架的垂直移动,工作台的纵横向移动和回转 。 由此可见
,卧式镗床对调速范围要求广,对电力拖动的控制要求高,并要设置一定的连锁和保护 。 图 7.6为 T68A型卧式镗床电气控制原理图,将其移植为三菱 FX2系列 PLC
对 T68A卧式镗床的控制 。
7.3 PLC控制系统的应用举例 13
图
2.4
1ms
累计定时器的使用示例
7.3 PLC控制系统的应用举例 14
1,T68A卧式镗床的控制原理简述图 7.6,M1为主轴与进给电机,M2为快速移动电机 。
KM1,KM2为主轴正,反转接触器,KM3为主轴制动电阻短接接触器,KM4为主轴电机低速运转接触器,
KM5为主轴电机高速运转接触器 。 主轴电机正反转停止时,都由速度继电器 KS控制实现反接制动 。 快速移动电机由接触器 KM6,KM7实现正反转控制 。 主轴电机停止按钮 SB0,正,反转起动按钮 SB1,SB2,正,
反转点动按钮 SB3,SB4。 SQ0～ SQ10均为行程开关,
KT为时间继电器 。
2,PLC选型及输入,输出地址分配输入共 17个,SB0～ SB4,SQ0～ SQ10,KS；输出控制组件共 7个,KM1～ KM7均为接触器；选 FX2-48MR。
7.3 PLC控制系统的应用举例 15
输入信号及地址分配参见表 7.4。
7.3 PLC控制系统的应用举例 16
输出信号及地址分配参见表 7.5。
7.3 PLC控制系统的应用举例 17
3,梯形图程序设计根据 T68A卧式镗床电气控制原理图,以及上述输入 /输出地址分配,可以采用,移植法,将电气控制原理图改为 PLC的控制梯型图 。 电气控制原理图中的中间继电器 KAl,KA2可以由 PLC的内部辅助继电器 M1,M2代替 。 时间继电器的作用由 T0来实现 。 在线路移植时,
要作一些必要的电路的等效变换,使之符合梯形图的设计原则 。
T68A卧式镗床控制梯形图如图 7.7所示 。 指令表省略 。
7.3 PLC控制系统的应用举例 18
本章小结本章介绍 FX2系列 PLC控制系统的应用设计,关键是系统总体设计,核心则是控制程序设计 。 要重点掌握 PLC
系统设计的基本原则和设计的一般流程,要有一个整体的概念 。 在满足控制要求,环境要求和性价比等条件下,合理选择 PLC的机型和硬件配置,正确地进行内存估算,合理选择输入 /输出模块,完成 PLC的硬件与软件的设计 。
– 本章介绍 FX2系列 PLC控制系统的应用设计,
PLC的应用就是在电气控制系统中以 PLC为主控,实现对生产过程的控制 。 要求掌握 PLC应用的设计步骤,PLC的选型和硬件配置,以及
PLC的安装和维护 。 掌握 PLC的应用程序设计是 PLC应用中的关键,也是整个电气控制系统设计的核心 。 本章将以 PLC控制系统的经典实例,来介绍 PLC控制系统的应用设计 。
7.1 PLC控制系统的总体设计
PLC控制系统的设计与微机控制系统的设计还是有区别的，这是由于 PLC特有的扫描工作方式和相应的硬件结构与通用微机不完全一样。同时,PLC与继电器控制系统也有本质上的区别，因此需要结合 PLC本身的一些特点来进行控制系统的设计。 PLC控制系统设计的一个主要特点是，硬件和软件可以分开进行设计。
7.1.1 PLC控制系统设计的基本原则在设计 PLC控制系统时，应按照以下基本原则进行。
1．熟悉控制对象，确定控制范围设计前，要深入现场进行实地考察，全面详细地了解被控制对象的特点和生产工艺过程。同时要搜集各种资料，归纳出工作状态流程图，并与有关的机械设计人员和实际操作人员相互交流和探讨，明确控制任务和设计要求。要了解工艺工程和机械运动与电气执行组件之间的关系和对控制系统的控制要求，共同拟定出电气控制方案，最后归纳出电气执行组件的动作节拍表。这个也是 PLC要正确实现的根本任务。
2．优化控制系统，确定 PLC机型在确定了控制对象和控制范围之后，需要制定相应的控制方案。在满足控制要求的前提下，力争使得设计出来的控制系统简单、可靠、经济以及使用和维修方便。控制方案的制定可以根据生产工艺和机械运动的控制要求，确定电气控制系统的工作方式。单机控制就可以满足要求，还是需要多机联网通信的方式。最
7.1.1 PLC控制系统设计的基本原则 2
7.1.1 PLC控制系统设计的基本原则 3
后，综合考虑所有的要求，确定所要选用的 PLC机型，
以及其它的各种硬件设备。
3．提高可靠性和安全性在考虑完所有的控制细节和应用要求之后，还必须要特别注意控制系统的安全性和可靠性。大多数工业控制现场，充满了各种各样的干扰和潜在的突发状态。
因此，在设计的最初阶段就要考虑到这方面的各种因素，到现场去观察和搜集数据。
4．可升级性要求在设计 PLC控制系统的时候，应考虑到日后生产的发展和工艺的改进，而适当地留有一些余量，方便日后的升级。
7.1.2 PLC控制系统的设计流程 1
PLC控制系统的设计流程图如图 7.1，具体步骤：
（ 1）分析被控对象，明确控制要求。
根据生产和工艺过程分析控制要求，确定控制对象及控制范围，确定控制系统的工作方式，例如全自动、半自动、手动、单机运行、多机联合运行等。
还要确定系统应有的其它功能，例如故障检测、诊断与显示报警、紧急情况
7.1.2 PLC控制系统的设计流程 2
的处理、管理功能、联网通信功能等。
（ 2）确定所需要的 PLC机型，以及用户输入 /输出设备
，据此确定 PLC的 I/O点数。根据系统的控制要求，确定系统的输入 /输出设备的数量及种类，如按钮、开关
、接触器、电磁阀和信号灯等；明确这些设备对控制信号的要求，如电压流的大小、直流还是交流、开关量还是模拟量和信号幅度等。据此确定 PLC的 I/O设备的类型、性质及数量。
（ 3）分配 PLC的输入 /输出点地址，设计 I/O连接图。
根据已确定的输入 /输出设备和选定的可编程控制器，
列出输入输出设备与 PLC的 I/O点的地址分配表，以便于编制控制程序、设计接线图及硬件安装。
7.1.2 PLC控制系统的设计流程 3
（ 4）可同时进行 PLC的硬件设计和软件设计。
硬件设计指电气线路设计，包括主电路及 PLC外部控制电路,PLC输入输出接线图，设备供电系统图，电气控制柜结构及电器设备安装图等。软件设计包括状态表
、状态转换图、梯形图、指令表等，控制程序设计是
PLC系统应用中最关键的问题，也是整个控制系统设计的核心。
（ 5）进行总装统调。
一般先要进行模拟调试，即不带输出设备根据输入 /输出模块的指示灯显示进行调试。发现问题及时修改，
直到完全满足符合设计要求。此后就可联机调试，先连接电气柜而不带负载，各输出设备调试正常后，再接上负载运行调试，直到完全满足设计要求为止。
7.1.2 PLC控制系统的设计流程 4
（ 6）修改或调整软硬件设计，使之符合设计的要求。
（ 7）完成 PLC控制系统的设计，投入实际使用。
总装统调后，还要经过一段时间的试运行，以检验系统的可靠性。
（ 8）技术文件整理。
技术文件包括设计说明书、电气原理图和安装图、器件明细表、状态表、梯形图及软件使用说明书等。
7.2 PLC控制系统的设计步骤
7.2.1 确定控制对象和控制范围由图 7.1中，控制系统设计的第一步就是要先确定控制对象和控制范围。因为这样，才知道 PLC控制系统所应该具有的功能，从而去选择一款适合的 PLC机型。
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7.2 PLC控制系统的设计步骤 2
首先，要详细分析被控对象、控制过程和要求，熟悉了工艺流程和列出了所有的功能和指标要求后，与继电器控制系统和工业控制系统进行比较，加以选择。
如果对于可靠性和安全性的要去比较高，同时控制对象所处的环境又比较差，特别是系统工艺复杂多变，
输入 /输出又以开关量居多，那么比较适合用 PLC进行控制，而用常规的继电器控制系统往往难以胜任。确定了控制对象之后，应进一步确定 PLC的控制范围。
对于那种机械重复式的操作，或者容易出错的操作，
以及要求比较精确的操作，应该交给 PLC来控制。而那些紧急状况的处理，和对智能判断要求比较高的操作，可以留有人工的手动操作方式的接口。
2
7.2.2 PLC机型的选择 1
机型选择基本原则：在功能满足的前提下，力争最好的性价比，并有一定的可升级性。
首先，按实际控制要求要进行功能选择：单机控制还是要联网通信；一般开关量控制，还是要增加特殊单元；是否需要远程控制；现场对控制器响应速度有何要求；控制系统与现场是分开还是在一起等。
然后，根据控制对象的多少选择适当的 I/O点数和信道数；根据 I/O信号选择 I/O模块，选择适当的程序存储量
。在具体选择 PLC的型号可考虑以下几个方面：
1,功能的选择对于以开关量为主,带少量模拟量控制的设备,一般的小型 PLC都可以满足要求 。 对于模拟量控制的系统
，
7.2.2 PLC机型的选择 2
具有很多闭环控制的系统，可视控制规模的大小和复杂程度，选用中档或高档机。
对于需要联网通信的控制系统，要注意机型统一。以便其模块可相互换用，便于备件采购和管理。功能和编程方法的统一，有利于产品的开发和升级，有利于技术水平的提高和积累。
对有特殊控制要求系统，可选用有相同或相似功能的
PLC。选用有特殊功能的 PLC，而不必添加特殊功能模块。配了上位机后，可方便地控制各独立的 PLC，连成一个多级分布的控制系统，相互通信，集中管理。
2．基本单元的选择包括：响应速度、结构形式和扩展能力。
7.2.2 PLC机型的选择 3
对于开关量控制为主的系统，一般 PLC的响应速度足以满足控制的需要。但是对于模拟量控制的系统，则必须考虑 PLC的响应速度。
在小型 PLC中，整体式比模块式的价格便宜，体积也较小，只是硬件配置不如模块式的灵活。在排除故障所需的时间上，模块式相对来说比较短。
应该多加关注能扩展单元的数量、种类以及扩展所占用的信道数和扩展口等。
3．编程方式
PLC的编程：在线编程和离线编程。
在线编程 PLC：有两个独立的 CPU，分别在主机和编程器上。主机 CPU主要完成控制现场的任务，编程器 CPU
7.2.2 PLC机型的选择 4
处理键盘编程命令。在扫描周期末尾，两 CPU会互相通信，编程器里的 CPU会把改好的程序传送给主机，主机将在下一扫描周期的时候，按照新的程序进行控制，完成在线编程的操作。可在线编程的 PLC由于增加了软硬件，因此价格较高，但应用范围比较宽广。
离线编程 PLC：主机和编程器共享一个 CPU。在同一时刻,CPU要么处于编程状态，要么处于运行状态，可通过编程器上的“运行 /编程”开关进行选择。减少了软硬件开销，因此价格比较便宜，中、小型的 PLC多采用离线编程的方式。
7.2.3 内存容量估计内存的容量会受到内存利用率，开关量 I/O点数，模拟量 I/O点数，以及用户的编程水平。
7.2.3 内存容量估计 2
1．内存利用率内存的利用率,一个程序段中的接点数与存放该程序段所代表的机器码所需内存字数的比值。对于同一个程序而言，高利用率可以降低内存的使用量，还可以缩短扫描时间，提高系统的响应速度。
2．开关量输入和输出的点数
PLC输入和输出的总点数对所需内存容量的大小影响较大。一般系统中，开关量输入和输出的比为 6:4，根据经验公式，可以算出所需内存的字数：
所需内存字数 = 开关量（输入 +输出）总点数? 10
3．模拟量输入和输出的点数模拟量的处理要用到数字传送和运算的功能指令，内存
7.2.3 内存容量估计 3
利用率较低，要更多的内存。模拟量输入，一般要经过读入、数字滤波、传送和比较等，模拟量输出，可能还要比较复杂的运算和闭环控制，将上述步骤编制成子程序进行调用，可大大减少所需内存的容量。针对 10点左右的模拟量的经验公式：
只有模拟量输入时：内存字数 = 模拟量点数? 100
模拟量输入 /输出共存时：内存字数 = 模拟量点数? 200
当点数小于 10时，要适当加大内存，反之可适当减小
。
4．程序编程质量质量高的程序往往短小精干，占内存少。对于初学者在考虑内存容量时，可多留一点余量。
7.2.4 输入输出模块的选择 1
1,PLC控制系统 I/O点数估算表 7.1是典型传送设备及电气组件所需 I/O点数表。
（ 1）控制电磁阀所需的 I/O点数
PLC控制一个单线圈电磁阀需要 2个输入和 1个输出；控制一个双线圈电磁阀需要 3个输入和 2个输出；控制一个比例式电磁阀需要 3个输入和 5个输出。另外，控制一个开关需 1个输入，一个信号灯需 1个输出，而波段开关有几个波段据需要几个输入。一般情况下，各种位置开关都需要 2个输入。
（ 2）控制交流电动机所需的 I/O点数
PLC控制交流电动机时，是以主令信号和反馈信号作为
PLC的输入信号。例如，用 PLC控制一台可逆运行的笼
7.2.4 输入输出模块的选择 2
7.2.4 输入输出模块的选择 3
型电动机，需要 5个输入点和 2个输出点。控制一台 Y—
起动的交流电动机，需要 4个输入点和 3个输出点。
（ 3）控制直流电动机所需的 I/O点数直流调速的主要形式是晶闸管直流电动机调速系统，主要采用晶闸管整流装置对直流电机供电。一般来说，用
PLC控制一个可逆直流传动系统大约需要 12个输入点和
8个输出点。一个不可逆的直流传动系统需要 9个输入点和 6个输出点。
估算出被控对象的 I/O点数后，应留有 20%～ 30%的 I/O
备用量，就可选择相应的 PLC。对于单机自动化或机电一体化的产品，可以选用小型 PLC；对于控制系统规模较大，输入输出点数又多的，可选用大、中型 PLC。
7.2.4 输入输出模块的选择 4
2．输入和输出模块的选择输入模块的功能主要是检测来自现场设备的输入信号,
并将其转换成 PLC内部可处理的电平信号 。 输入模块的类型有直流和交流两种,直流中又分为 5V,12V,24V
,60V和 68V；交流又分为 115V和 220V两种 。 对于传输距离比较近的,可以选用低电平,如 5V,12V和 24V
。 对于传输距离比较远的,从可靠性角度考虑,宜选用高电压的模块 。 从所接负载多少的方面而言,同时接通的点数不得超过 60%。 另外,为了提高系统的稳定性,
还必须考虑阈值电平 （ 接通电平与断开电平的差值 ） 的大小 。 阈值电平越大,有利于远距离的传输,其抗干扰能力也就越强 。
7.2.4 输入输出模块的选择 5
输出模块功能：将内部的输出电平转换成可匹配外部负载设备的控制信号 。
注意：输出模块同时接通点数的电流累计值必须小于公共端所允许通过的电流值 。 输出模块的输出电流大小要大于负载电流的额定值 。
7.2.5 PLC的硬件设计 1
硬件设计：要完成系统流程图的设计,详细说明各个输入信息流之间的关系,具体安排输入和输出的配置,以及对输入和输出进行地址分配 。
在对输入进行地址分配的时,可将所有的按钮和限位开关分别集中配置,相同类型的输入点尽量分在一个组 。
对每一种类型的设备号,按顺序定义输入点的地址 。 如果有多余的输入点,可将每一个输入模块的输入点都分配给一台设备 。 将那些高噪声的输入模块尽量插到远离
CPU模块的插槽内,以避免交叉干扰,因此这类输入点的地址较大 。
在进行输出配置和地址分配时,也要尽量将同类型设备的输出点集中在一起 。 按照不同类型的设备,顺序地定
7.2.5 PLC的硬件设计 2
义输出点地址。如果有多余的输出点，可将每一个输出模块的输出点都分配给一台设备。另外，对彼此有关联的输出器件，如电动机的正转和反转等，其输出地址应连续分配。
在进行上述工作的时,也要结合软件设计以及系统调试等方面的考虑 。 合理地安排配置与地址分配的工作,会给日后的软硬件设计,以及系统调试等带来很多方便 。
7.2.6 PLC的软件设计软件设计：完成参数表的定义,程序框图的绘制,程序的编制和程序说明书的编写 。
参数表为编写程序作准备,对系统各个接口参数进行规范化的定义,不仅有利于程序的编写,也有利于程序的
7.2.6 PLC的软件设计 2
调试。参数表的定义包括输入信号表、输出信号表、中间标志表和存储表的定义。参数表的定义和格式因人而异，但总的原则是便于使用。
程序框图描述了系统控制流程走向和系统功能的说明。
它应该是全部应用程序中各功能单元的结构形式，据此可以了解所有控制功能在整个程序中的位置。一个详细合理的程序框图有利于程序的编写和调试。
软件设计的主要过程是编写用户程序，它是控制功能的具体实现过程。
程序说明书是对整个程序内容的注释性的综合说明。应包括程序设计依据，程序基本结构，各功能单元详细分析，所用公式原理，各参数来源以及程序测试情况等。
7.2.6 PLC的软件设计 3
在进行系统设计时，可同时进行硬件和软件的设计。这样有利于及时发现相互之间配合上面的一些问题，及早地改进有关设计，更好的共享资源，提高效率。
7.2.7 总装统调任何控制系统的软硬件设计在定型前，都需要多次调试
，以此来发现和改进其中的错误和不足。对于 PLC控制系统来说，可以用装在 PLC上的模拟开关来模拟输入信号的状态，用输出点的指示灯来模拟被控对象，将设计好的软件程序传送到 PLC中，就可以进行总装统调了。
调试前，先要仔细检查 PLC外部设备的接线是否正确和可靠，特别还要检查各个设备的工作电压是否正常，检查的时候要注意，不要光检查电源的输出电压，而是要
7.2.7 总装统调 2
直接检查各个设备管脚上的工作电压是否正常。同时，
在将用户程序送到 PLC之前，可以先用一些短小的测试程序检测一下外部的接线状况，看看有无接线故障。进行这类预调时，要将主电路先行断开，这主要是为了安全和可靠，避免误操作或电路故障损坏了主电路的元器件。当一切确认无误之后，就可以将程序送入存储器中进行总调试，直到各部分的功能都能正常工作，并且能协调一致成为一个正确的整体控制为止。如果在统调过程中，发现什么问题或是达不到某些指标，则要对硬件和软件的设计做出调整。全被调试结束后，可以将程序长久保存在有记忆功能的 EPROM或 E2PROM中。至此
，就可以将调试好的 PLC控制系统投入实际的运行中。
7.3 PLC控制系统的应用举例 1
7.3.1 三菱 FX2系列 PLC在电梯自动控制中的应用由三菱 FX2-64MR为主控的 3层电梯的 PLC控制系统 。
1,电梯控制的功能要求
（ 1） 本系统采用轿厢外唤叫,轿厢内按钮控制形式 。
轿厢内,外均由指令按钮进行操作 。 每层楼的厢外设有呼叫按钮 SB6～ SB9,厢内设有开门按钮 SBl,关门按钮
SB2,层面指令按钮 SB3～ SB5。
（ 2） 电梯运行到指定位后,具有自动开 /关门的功能,
也能手动开门和关门 。
（ 3） 利用指示灯显示电梯厢外的呼叫信号,电梯厢内的指令信号和电梯到达信号 。
（ 4） 能自动判电梯运行方向,并发出相应指示信号 。
2
7.3 PLC控制系统的应用举例 2
（ 5） 电梯上下运行由一台主电机驱动 。 电机正转,电梯上升；电动反转,电梯下降 。
（ 6） 电梯轿厢门由另一台小功率电机驱动 。 电机正转
,厢门打开；电机反转,厢门关闭 。
2,PLC选型及输入,输出地址分配三层电梯有 23个输入信号,19个输出信号,可以选择
FX2— 48MR。 但考虑今后厂家升级的余量,就选了
FX2-64MR（ I/O为 32/32） 的 PLC。
输入信号及地址分配参见表 7.2，
输出信号及地址分配参见表 7.3。
3,梯形图程序设计根据三层电梯控制的功能要求以及输入 /输出点的地址
7.3 PLC控制系统的应用举例 3
7.3 PLC控制系统的应用举例 4
2
7.3 PLC控制系统的应用举例 5
分配表,设计控制梯形图 。 程序分成以下几段讨论 。
电梯开门,关门梯形图如图 7.2所示 。
（ 1） 电梯开门控制分手动和自动两种情况 。
① 手动开门时,当电梯运行到位后,按下 SB1,X000
7.3 PLC控制系统的应用举例 6
闭合,Y000得电,电动机正转,轿厢门打开 。 开门到位,开门行程开关 SQ1动作,X002常闭触点断开,
Y000失电,开门过程结束 。
② 自动开门时,当电梯运行到位后,相应的楼层接近开关 SQ5或 SQ6或 SQ7被压下,即 X011或 X012或 X013
闭合 。 T0开始计时,延时 3s后,T0触点闭合,Y000输出有效,轿厢门打开 。
（ 2） 电梯关门控制也分手动和自动两种情况 。
① 手动关门时,当按下关门按钮 SB2时 X001闭合,
Y001得电并自锁,驱动关门继电器使电动机反转,轿厢门关闭 。 关门到位,关门行程开关 SQ2动作,X003
常闭触点断开,Y001失电,关门过程结束 。
7.3 PLC控制系统的应用举例 7
② 自动关门时,由定时器 T1来控制 。 当电梯开门到位后 Y000常开触点闭合,T1开始计时,延时 5s后,T1触点闭合,Y001输出有效,轿厢门自动关闭 。
自动关门时,可能夹住乘客,因此在门两侧均装有红外线检测装置 SLl和 SL2。 当有人进出时由 SLl和 SL2发出信号使得 X006和 X007闭合,辅助继电器 M0得电并自锁,使得 T2开始定时,延时 2s后再关门 。
（ 2） 电梯到层指示如图 7.3,X011,X012和 X013分别是一,二和三层的接近开关 SQ5,SQ6和 SQ7的输入点,Y022,Y023和
Y024分别是一,二和三层楼面的指示灯 E3,E4和 E5。
辅助继电器 M2和 M3分别是单,双层指示灯互锁控制 。
7.3 PLC控制系统的应用举例 8
当电梯到达某一层楼面后
,只有该层楼指示灯亮 。
（ 3） 层呼叫指示灯控制图 7.4,当有乘客在轿厢外的某一层按下呼叫按钮
SB6,SB7,SB8和 SB9中的任一个后,对应的输入点 X017,X020,X021和
X022中的某一个就会闭合
,同时所对应的层指示灯就亮,指示有人呼叫 。 呼叫信号会一直保持到电梯
7.3 PLC控制系统的应用举例 9
当 到达该层,由该层的接近开关 X011,X012和 X013中的某一个动作时才被撤销 。
7.3 PLC控制系统的应用举例 10
7.3 PLC控制系统的应用举例 11
（ 4） 电梯启动和方向选择及变速控制电梯启动和方向选择及变速控制梯形图如图 7.5所示 。
电梯运行方向由输出继电器 Y020和 Y021指示,当电梯运行方向确定后,在关门信号和门锁信号符合要求的情况下,或者通过电梯上行输出继电器 Y002,驱动电机正转,电梯上升；或者通过电梯下行输出继电器
Y003,驱动电机反转,电梯下降 。
电梯启动后快速运行,2s后加速,在接近目标楼层时,
相应的接近开关动作,电梯开始转为慢速运行,直至电梯到达目标楼层时停止 。
7.3 PLC控制系统的应用举例 12
7.3.2 三菱 FX2系列 PLC对 T68A卧式镗床的控制镗床是一种精密加工机床,可以加工许多种复杂的大型工件 。 镗床的运动部件比较多,在加工工件时镗床各部分的运动也相对复杂,下溜板沿床身导轨可作纵向移动,上溜板则可沿下溜板上的导轨作横向移动,而工作台又可以相对于上溜板进行回转 。 还有,镗头架的垂直移动,工作台的纵横向移动和回转 。 由此可见
,卧式镗床对调速范围要求广,对电力拖动的控制要求高,并要设置一定的连锁和保护 。 图 7.6为 T68A型卧式镗床电气控制原理图,将其移植为三菱 FX2系列 PLC
对 T68A卧式镗床的控制 。
7.3 PLC控制系统的应用举例 13
图
2.4
1ms
累计定时器的使用示例
7.3 PLC控制系统的应用举例 14
1,T68A卧式镗床的控制原理简述图 7.6,M1为主轴与进给电机,M2为快速移动电机 。
KM1,KM2为主轴正,反转接触器,KM3为主轴制动电阻短接接触器,KM4为主轴电机低速运转接触器,
KM5为主轴电机高速运转接触器 。 主轴电机正反转停止时,都由速度继电器 KS控制实现反接制动 。 快速移动电机由接触器 KM6,KM7实现正反转控制 。 主轴电机停止按钮 SB0,正,反转起动按钮 SB1,SB2,正,
反转点动按钮 SB3,SB4。 SQ0～ SQ10均为行程开关,
KT为时间继电器 。
2,PLC选型及输入,输出地址分配输入共 17个,SB0～ SB4,SQ0～ SQ10,KS；输出控制组件共 7个,KM1～ KM7均为接触器；选 FX2-48MR。
7.3 PLC控制系统的应用举例 15
输入信号及地址分配参见表 7.4。
7.3 PLC控制系统的应用举例 16
输出信号及地址分配参见表 7.5。
7.3 PLC控制系统的应用举例 17
3,梯形图程序设计根据 T68A卧式镗床电气控制原理图,以及上述输入 /输出地址分配,可以采用,移植法,将电气控制原理图改为 PLC的控制梯型图 。 电气控制原理图中的中间继电器 KAl,KA2可以由 PLC的内部辅助继电器 M1,M2代替 。 时间继电器的作用由 T0来实现 。 在线路移植时,
要作一些必要的电路的等效变换,使之符合梯形图的设计原则 。
T68A卧式镗床控制梯形图如图 7.7所示 。 指令表省略 。
7.3 PLC控制系统的应用举例 18
本章小结本章介绍 FX2系列 PLC控制系统的应用设计,关键是系统总体设计,核心则是控制程序设计 。 要重点掌握 PLC
系统设计的基本原则和设计的一般流程,要有一个整体的概念 。 在满足控制要求,环境要求和性价比等条件下,合理选择 PLC的机型和硬件配置,正确地进行内存估算,合理选择输入 /输出模块,完成 PLC的硬件与软件的设计 。
